Sandia National Laboratories Crashtest für Li-Ionen-Akkus

June Stanley (links) und Chris Grosso (rechts) neben ihrem Fallturm in den Sandia National Laboratories, mit dem sie Lithium-Ionen-Zellen testen.
June Stanley (links) und Chris Grosso (rechts) neben ihrem Fallturm in den Sandia National Laboratories, mit dem sie Lithium-Ionen-Zellen testen.

Zerquetschen, durchbohren, braten, eintauchen, kurzschließen, überladen, tiefentladen, mit einem Laser beschießen – im Auftrag der Sicherheit müssen Lithium-Ionen-Akkus viel aushalten. Nun haben Forscher der Sandia National Labs eine neunte Möglichkeit erarbeitet, einen Akku zu quälen.

Wenn die Forscher der Sandia National Laboratories Lithium-Ionen-Akkus testen, haben die Akkus nichts zu lachen. Neben den acht bisherigen Stresstests für solche Energiespeicher kommt nun ein neunter hinzu: Um herauszufinden, wie Lithium-Ionen-Zellen reagieren, wenn etwas auf sie auftrifft, haben die Forscher einen Indoor-Fallturm gebaut, mit dem sie bis zu 60 kg (200 Pfund) aus einer Höhe von 2,64 m auf die Akkus fallen lassen können. Damit wollen die Forscher – ähnlich wie bei einem Crashtest – einen Unfall mit einem Elektroauto emulieren.

»Soweit wir wissen, hat niemand in den USA einen Falltest für derartige Schlagbelastungen durchgeführt«, meint June Stanley die die Fertigung und Installation des Fallturms leitete. »Ein solcher Einschlagtest kommt aus der Praxis und zeigt realistischer, was passieren würde«, glaubt sie. »Der Test kann uns ein besseres Verständnis vermitteln, wie Ersthelfer bei einem Notfall – wie z. B. bei Unfällen mit Elektrofahrzeugen – vorgehen sollten. Außerdem kann es für die Industrie, die neue Technologien erforscht und entwickelt, hilfreich sein.«

Der Fallturm befindet sich in einem hangarähnlichen Gebäude, das sich leicht belüften und räumen lässt, falls es bei einem brennenden Akku Rauch austritt. Forscher steuern den Turm aus der Ferne und beobachten die Geschehnisse auf Monitoren in einem Anhänger, der etwa 30 Meter entfernt steht.

Der Akku befindet sich in einer Stahlwanne, die mit einer Wägezelle verschraubt ist, um die Aufprallkraft an der Basis des Turms zu messen. Per Knopfdruck wird das Gewicht ausgelöst. Beim Aufschlag werden Geschwindigkeit, Kraft, Temperatur und Spannung gemessen. Kameras zeichnen den Aufprall und das daraus resultierende Gemetzel auf. Alle Daten gehen an einen Computer im Kontrollzentrum im Anhänger.

Bisher hat das Team einzellige Li-Ionen-Akkus getestet sowie ein Pack, der aus zwölf solcher Akkus mit Klebeband zusammengefügt worden war. Obgleich die Tests keine Funken und keine Hitze hervorgerufen haben, wie sie bei einem langsamer laufenden hydraulischen Quetschversuch üblich sind, sind die gesammelten Daten nützlich, sagt Stanley.

Im Anschluss auf den Einschlag seien die Akkus instabil und der Sicherheitsstatus von etwa der Hälfte der Zellen sei ungewiss, so die Forscherin. »Zweifellos hilft dies, damit Ersthelfer mit einer solchen Situation besser umgehen können.«

Weiterentwicklung des Fallturms

Die maximale Masse, mit der man einen Akku zerschmettern, zerstoßen oder zertrümmern kann, beträgt wegen der gewählten Komponenten 272 kg, meint Chris Grosso, der die Elektronik und Betriebssoftware entwarf. »Solche Features lassen sich bei Bedarf leicht nachrüsten, und wir können immer mehr Gewicht hinzufügen, um die Kraft zu erhöhen.«

Geschweißtes Stahlrohr sowie handelsübliche Führungsschienen und Lager machen den Fallturm kostengünstig in der Wartung. »Wenn das unvermeidliche Feuer kommt, lassen sich die Einzelteile kostengünstig austauschen«, so Grosso. Das sei nur ein Basisdesign.

Zukünftige Verbesserungen könnten darin bestehen, Federn oder unter Druck stehende Gaskolben hinzuzufügen, um die Beschleunigung des Gewichts und damit die Aufschlagskraft zu erhöhen. Weitere Pläne werden sich ergeben, wenn die Industrie die Energiedichte in Akkus weiter vergrößert.